方华 1,2 付金辉 1,2 王凯 1,2
1.中国航发湖南动力机械研究所 湖南株洲 412002
2.中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室 株洲 412002
摘 要：为准确掌握冷气掺混对涡轮性能的影响，评估现代先进发动机涡轮性能，掌握冷气掺混涡轮设计技术，深入地研究冷气掺混条件下涡轮的气动性能，有必要建立带冷气掺混的模型涡轮试验器。本文详细介绍了某涡轮试验器冷气管道系统设计，为冷气掺混涡轮性能试验研究提供技术保障。
关键词：冷气掺混 涡轮气动性能 冷气管道系统设计
随着航空涡轮所特有的高温、高压、高负荷的发展特点，为了降低叶片金属材料温度以确保叶片安全可靠工作，常采用空气冷却式叶片，流入叶片的冷却空气以不同方式、不同部位排入主燃气流道。冷却空气的排入，使主流燃气的流量增加，温度下降，同时也带来掺混损失[1] [2]。
为了验证和评价涡轮设计，研究冷气掺混条件下的涡轮的气动性能及出口流场，有必要建立功能齐全的冷气掺混涡轮试验器，开展涡轮试验研究及验证工作。
冷气进气压力：≤2.0MPa（A）；
冷气进气流量：≤5kg/s；
冷气进气温度：300～673K；
冷气路数：8路
压力损失：≤0.05MPa
冷气管路系统主要提供涡轮气动性能试验时试验件涡轮叶片的冷却引气，涡轮级间、滑油腔封严引气，涡轮轴向力调整的平衡盘腔引气。其功能主要包括压力控制、温度控制、流量控制及测量，要求进口压力控制精度≤±1%，温度控制精度≤±2℃，流量控制精度优于±1%。冷气管道系统设计应符合GB50316-2000《工业金属管道设计规范》要求。
来自气源站的常温压缩空气经过滤、油气分离、干燥后通过局域管网输送至试验器冷气管道系统进口。系统对气流压力、温度、流量进行调控，保证每排叶片主气与冷气的温比和流量比及涡轮级间、滑油腔封严引气、涡轮轴向力调整的平衡盘腔引气压力，以满足涡轮试验冷气流场品质需求。
根据试验涡轮对冷却气需求，共设计8路供气管道：
第1、2路管道用于涡轮叶片冷却或级间封严供气，压力2.0MPa，流量1kg/s；
第3、4路管道用于涡轮叶片冷却或级间封严供气，压力2.0MPa，流量0.5kg/s；
第5、6路管道用于涡轮叶片冷却或级间封严供气，压力2.0MPa，流量0.1kg/s；
第7、8路管到用于平衡盘腔供气、压力2.0MPa、流量1kg/s。
系统设备主要包括储气罐、加温器、过滤器、流量测量装置、管子、管件、法兰、密封件、紧固件、阀门、支承件等。
3.1.1管径及管壁厚度计算
对于长度较短、管径较小的管道，一般可由常用流速计算其管径[3]：
1.13
……….…..(1)
式中
d——管径（m）；
w——体积流量（m3/s）；
v——常用流速（m/s）。
管道壁厚计算公式：
.....................(2)
式中
S——管道壁厚（mm）；
P——管内介质压力(MPa)；
D——管子外径（mm）；
——工作温度下的管材许用应力（MPa）；
——管子纵向焊缝系数，对无缝钢管
，对焊接钢管
。
对于只标明公称压力的组成件包括阀门管件等除另有规定外，在设计温度下的许用压力可按下式计算：
…………….…..(3)
式中
——在设计温度下许用压力（MPa）；
PN——公称压力(MPa)；
——在设计温度下材料的许用应力（MPa）；
——决定组成件厚度时采用的计算温度下材料的许用应力（MPa）
根据公式对各路管径、管壁厚度、公称压力进行计算并圆整，得到以下结果：
稳压罐前总进气管道公称直径取DN150mm；第1，2路支管道公称直径取DN80mm；第3，4路支管道公称直径取DN65mm；第5，6路支管道公称直径取DN40m；第7，8路支管道公称直径取DN65mm。
管子材料选择0Cr18Ni9无缝钢管，管道壁厚取5mm。管道公称压力PN2.5MPa。
3.1.2 管道布置
气源站压缩空气通过1路管道（DN150mm，壁厚6mm），引入稳压罐，稳压罐靠墙固定，距墙面1m，稳压罐出口设8路支管道敷设至主体台架试验件安装处，1路疏水管道、1路排污管道（DN100mm，壁厚5mm）直通消音塔。其中6路支管道提供冷却引气或封严引气，每路支管路均设有加温器、节流阀、调节阀、温度计、测压装置、高精度流量计；2路支管道提供平衡盘腔引气，每路管道安装有节流阀、调节阀、测压装置；根据需要可分别调节每路支管道空气的温度、流量、压力。冷气管道布置图见图1。
图1 管路布局图
每路支管均设有排放支管，引入总排放支管，总排放支管管径DN100mm，壁厚5mm。
管路架空明设，沿墙壁方向成列平行敷设，规划布局整齐有序，管外壁相互间隔0.1m，离地标高1.5m，便于生产操作、安装及维修。
3.1.3 管道连接
管子与阀门，管子与加温器、流量计等均采用法兰连接，法兰形式为凹凸面对焊法兰，公称压力PN4.0MPa，法兰之间通过螺栓螺母固紧。法兰选用不锈钢材料0Cr18Ni9。
3.1.4 管道保温
管路外表面敷设保温绝热材料，绝热材料选用复合硅酸盐，保证外表温度不超过50℃。
3.1.5 管道热膨胀及其补偿
管道热膨胀量计算公式:
...............(4)
式中：
——管道热膨胀量（mm）；
——线膨胀系数（0.018mm/m•K）；
——安装时管道长度（m）；
——运行时管道温度（K）；
——安装时管道温度（K）。
2m管道673K时热膨胀量13.5mm，管道采用L形布置，加温器安装在短臂管道上，短臂管道支架采用刚性导向支架，支架固定，管道可在支架上沿轴向移动，补偿热膨胀量。
3.1.6 管道支承
管架型式采用独立式刚性管架，管道成L形布置，长臂部分管道采用固定支架，限制管道移动，短臂部分管道采用刚性导向支架，管道可沿轴向移动，支架选用Q235钢材料。
3.2 管道阻力损失计算
沿程直管段阻力损失ΔPf
(6)
式中：
λ——摩擦系数
L——管道的长度（m）
d ——管道直径（m）
υ——介质速度（m/s）
ρ——介质密度（kg/m³）
ΔPf直管段沿程阻力损失（Pa）
摩擦系数λ值，决定于雷诺数以及管道内表面的粗糙程度(粗糙度K=0.3)。
雷诺数：
（7）
式中：
q ——介质流量（kg/s）
μ——介质的粘度（Pa·s）
d ——管道直径（m）
查图30.1-16[3]得：λ=0.032，管道长度设L=25m，代入（6）式有：
（8）
2）局部阻力损失ΔPk
（9）
式中：
K——管路附件局部阻力系数
υ——介质速度（m/s）
g——重力加速度（m/s2）
ΔPk ——管路局部阻力损失（Pa）
管道局部阻力损失见表1:
表1 进气管路附件局部阻力系数
名称 | 弯头 | 三通 | 阀门 | 加温器 | 流量计 |
数量（个） | 5 | 1 | 3 | 1 | 1 |
局部阻力系数K | 0.3 | 0.1 | 0.5 | 3 | 1.5 |
压力损失（MPa） | 0.0031 | 0.0002 | 0.0031 | 0.0062 | 0.0031 |
因此总的局部阻力损失为：
…...（10）
3）上升管路静压阻力损失ΔPH
因气体密度很小，ΔPH值忽略不计。
4）加速度阻力损失ΔPv
因气体密度很小，ΔPv值忽略不计。
管路总阻力损失计算公式为：
0.037MPa﹤0.05MPa
本文对某涡轮试验器冷气管道系统设计进行了详细说明，为带冷气掺混的涡轮试验提供保障。
参考文献：
[1] 航空发动机设计手册[M].《航空发动机设计手册》总编委会编.北京:航空工业出版社，2000.
[2] 蔡琴,付晟.某型发动机带冷气掺混低压涡轮试验件结构设计[J].南华动力,2015（4）:90-95..
[3] 徐灏.机械设计手册[M].第2版第3卷.北京：机械工业出版社,2000.
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